Пол выложен шиферными плитами, инкрустированными мозаикой, и разнообразными цветными поливными плитками. Три резные плиты из овручского шифера с изображением св. всадников, которые часто называют «михайловскими», исследователи нашли вне Михайловского собора и относят их к украшениям Димитриевского. Работы по созданию монументальной декорации храма были завершены к 1113 г. От древнего убранства сохранилось всего несколько фрагментов. Перед уничтожением собора, в 1935–1936 гг., часть мозаик и фресок (общая площадь 45 кв. м) была снята со стен профессором мозаичной мастерской Ленинградской Академии Художеств Владимиром Александровичем Фроловым и реставратором Павлом Ивановичем Юкиным (в XX в. хранились в Национальном заповеднике «София Киевская», Третьяковская галерея, Исторический музей, Русский музей, Государственный  Эрмитаж, Новгородский музей-заповедник). Мозаики «Евхаристия», «Архидиакон Стефан» и «Архидиакон Фаддей», фресковые изображения архангела Гавриила и Пресвятой Богородицы из композиции «Благовещение» находятся в Софийском соборе Киева, мозаичное изображение «Святой Димитрий Солунский» и ещё четыре фрагмента – в Третьяковской галерее, верхняя часть фрески «Святой Самуил» – в Русском музее. В 2004 и 2008 гг. 11 фрагментов фресок из Государственного Эрмитажа были переданы на хранение на Украину. В настоящее время они экспонируются в музее истории Михайловского собора. Описание живописи, составленное архидиаконом Павлом Алеппским, сыном Антиохийского патриарха Макария, в середине XVII в. прибывшего в Москву, и сохранившиеся фрагменты росписи позволяют исследователям представить систему декорации храма. В алтаре находилось изображение Богоматери «Оранта»; под ним располагалась композиция «Евхаристия», центральная часть которой сохранилась (экспонируется на хорах Софийского собора в Киеве); ниже шёл фриз ростовых фигур св. отцов (не сохранился). По описанию архидиакона Павла, алтарь Михайловского собора «…похож на алтарь Св. Софии и монастыря Печерского… На передней (восточной) его стороне есть изображение Владычицы, стоящей, воздев свои пречистые руки с открытыми дланями, из позолоченной мозаики…, также изображение Господа, который подаёт своим ученикам, стоящим с обеих сторон, хлеб и кровь божественные… Под ними кругом изображения архиереев – все из мозаики». По мнению исследователей. роспись собора Киевского Златоверхого монастыря не только имела очевидное сходство с декорацией алтаря Софийского собора, но и обладала иконографическим, композиционным и стилистическим своеобразием. Композиция «Причащение апостолов», занимавшая апсиду и стены вимы, помимо 12 апостолов, направлявшихся к Спасителю, включала восемь апостолов из числа 70, представленных фронтально (сохранилось только изображение апостола Фаддея). В том же регистре, на лопатках восточных столбов, обращённых в алтарь, были помещены друг против друга Димитрий Солунский и архидиакон Стефан.